250 MHz CMOS-carril a carril IO OpAmp: enfoque de diseo estructuralUna metodologa estructural se muestra en el ejemplo de diseo de la industria de ms rpido CMOS OpAmp implementa en el proceso de n-um bien solo 0,6.Este OpAmp tiene-carril a carril de entrada / salida, el ancho de banda de ganancia unitaria 250 MHz, 350 V / us velocidad de respuesta,> 100 dB de ganancia en lazo abierto con 150 ohm de carga, el ruido 6 nV / Hz y consume 5 mA de 2.5- 5,5 V de alimentacin.Considerado son la constante-gmrail-to-rail etapa de entrada, aumentar la ganancia DC, impulso de velocidad de respuesta, la implementacin cascodo doblado, mejora la recuperacin de sobrecarga.Este documento se encuentra en:Solid-State Circuits Conference, 2002. ESSCIRC 2002. Actas de la 28a Europeo, Fecha de emisin:24 a 26 septiembre, 2002, Escrito por:Ivanov, V .;Shilong Zhang 2002 IEEE

SECCIN IINTRODUCCINLa metodologa de diseo estructural [1] [2] [3] [4] se basa en los siguientes principios:1. -cada parmetro importante en un sistema debe ser controlado por un bucle de retroalimentacin2. -Estabilidad en estos bucles se consigue sin compensacin por el uso de los amplificadores de una sola etapa3. anlisis -system se simplifica a la consideracin de la estructura de ganancia (en forma de grfico de seal o diagrama de bloques)4. sntesis -system consiste en la generacin de la serie de las implementaciones de estructura de ganancia seguidos de simulaciones SPICE y la seleccin de la solucin de circuito basado en parmetros secundarios.

Figura 1.simplificado del circuito del amplificador operacionalVer Todos|SiguienteLos objetivos clave de este diseo OpAmp fueron: de carril a carril capacidad de IO, velocidad (ancho de banda y tiempo de establecimiento), unidad de carga (150 Ohm / 100 mA max), aumento de la CC, la ganancia / error de fase en la banda de vdeo (0,1% / 0,10), bajo ruido y bajo consumo de corriente.Estas demandas encaminados para las decisiones de bloques del circuito de la siguiente manera:1. operacin -rail-to-rail de entrada es proporcionada por pares diferenciales PMOS / NMOS con cascodo doblado.Gran velocidad se entiende el funcionamiento de los transistores de entrada en fuerte inversin y gmecualizador en un punto de conexin entre pares es necesario [5, pp.18-33;10];2. -cada etapa de ganancia adicional en la ruta de seal OpAmp corta ancho de banda global de ganancia unitaria al menos 3 veces [5, pp.123-170].Estructura en dos etapas fue elegido ya que hay al menos dos etapas de ganancia en un OpAmp rr: par (s) diferencial de entrada y de salida de los transistores en configuracin de fuente comn;3. -La ganancia de DC en un 2-etapa convencional CMOS OpAmp [5, p.196] est limitado a 60-80 dB debido a la baja impedancia de salida del circuito de cascodo doblado y los circuitos de realce de ganancia [6];[7], debe aadirse;4. -rpido asentamiento de gran seal no es posible sin circuitos impulso de giro [8];5. -recuperacin rpida despus de la salida de saturacin al carril de suministro llamada para los circuitos de recuperacin de sobrecarga [9];6. -iQ As como el ruido mejora si para disminuir la corriente en un cascodo doblado y utilizar la fuente de corriente flotante.Circuito simplificado del amplificador operacional se muestra en lafig.1. Cada bloque de circuito se implementa mediante bucle de realimentacin local.Amplificadores de corriente de entrada de una etapa mantienen estos bucles estable y rpido.Total, este OpAmp comprende 12 ciclos de retroalimentacin.SECCIN IIUnMPLIFIERS PARA LALOCALFeedbackLOOPSDiecisis tipos de etapas de entrada se pueden generar, clasificados por los valores de la entrada y la salida, de modo comn y la resistencia diferencial (entrada de corriente / tensin, salida de corriente de fuente / tensin).No todos ellos son prcticos, pero con etapas de corriente, entrada de baja impedancia (fig. 2b, c) son superiores por la velocidad en comparacin con la etapa de entrada diferencial regular (fig. 2a).Totalmente etapa de entrada diferencial con diferencial de bajo y de alta impedancia de entrada en modo comn se muestra en lafig.2by su modificacin sola salida - enfig.2c.

Figura 2.etapas de ganancia de voltaje y corriente de entradaAnterior|Ver todos|SiguienteAmplificadores de la realimentacin interna bucles generalmente operan en una configuracin de seguidor.Tres seguidores de tensin y corriente de frecuencia estable basado en etapas de entrada dela fig.2y se utiliza en este OpAmp se muestran en lafig.3.

Figura 3.Amplificadores de los bucles localesAnterior|Ver todos|SiguienteVariedad de estos amplificadores es mucho mayor [4].Procedimiento de diseo de los bucles de control de los parmetros importantes consiste en la comprensin de dnde y cmo colocar el sensor y el actuador del bucle y de recoger del amplificador adecuado, seguido de breve anlisis y simulaciones.SECCIN IIICONSTANT-GM RAIL-A-RAILmeNputSTAGETransconductancia estable de la etapa de entrada es necesaria para preservar los parmetros dinmicos de la OpAmp en la gama completa de las tensiones de modo comn de entrada.Con el fin de disminuir el ruido, corriente de cola de la etapa de entrada representa una parte importante del presupuesto corriente total OpAmp.Todas las constante gmetapas rr revisado en [5] estn al menos triplicar el consumo actual etapa de entrada, no son prcticos por esta razn y no se utiliza en ningn conocido a los autores OpAmp industrial.Un nuevo circuito, se muestra en lafig.4, se ha desarrollado [10] para resolver un problema.

Figura 4.ferroviario Constant-ga etapa de entrada del carrilAnterior|Ver todos|SiguienteCuando la tensin de entrada de modo comn se acerca Vdd, cola corriente I0se transfiere de PMOS a la par NMOS de entrada por M4 y espejoM5 / M6.La corriente a travsM7 / M8es la rplica reducida de la actual par M0 / M1, corriente a travs M9 es rplica de la actual M4.A fin de mantener transconductancia estable, corriente de cola de NMOS par en el punto de transicin se reduce por un circuito translineal M10 / M11 / M12 / M13 [11].Por medidas de simulacin y amplificador operacional, este circuito proporciona estabilizacin gm mejor de un 5% a travs del punto vs. variaciones del proceso, a juego y temperatura de conmutacin.Corriente extra para la operacin de este circuito no supere el 10% de la cola currentI0.SECCIN IVFOLDEDCASCODECIRCUITEn presencia de la X7 circuito de impulso de giro, la corriente en el cascodo plegado (M0 / M1 / M6 / M9enfig. 1) no se necesita para el giro y puede ser menor que la corriente de cola de la etapa de entrada.Aplicacin de ruido de la cascodo doblado en ruido global OpAmp es proporcional a la corriente, por lo que la disminucin de corriente est mejorando ruido OpAmp as como Iq general.La corriente a travsM6 / M9(Fig. 1) tiene que ser estable, mientras que la corriente a travsM5 / M7yM4 / M8est cambiando cuando la cola corriente I0transferencias del PMOS a etapa de entrada NMOS y la espalda.Esto se logra mediante un X2 amplificador de bucle de realimentacin que comprende, 16 actual y M10 como tensin de referencia, puerta-fuente de la M6 como un sensor de corriente y M7 como un actuador.Circuito ms detallado se muestra en lafig.5.

Figura 5.Doblado circuitos impulsar cascada y gananciaAnterior|Ver todos|SiguienteEtapa diferencialse utiliza como X2 amplificador con fuente de corriente 10 y el espejo M11 / M12.M17 est incluido para que coincida con voltajes de drenaje de M6 y M10.Corriente de drenaje de M6 es igual adondeson las dimensiones de los transistores correspondientes y ha sido elegido para ser un media de la corriente de cola.SECCIN VGAINBOOSTUnMPLIFIERSLa ganancia de DC del amplificador operacional enla fig.1en una primera aproximacin es igual a:donde-transconductance de la etapa de entrada,resistencia equivalente enlinfticos,mayor de las transconductancias de los transistores de salida y-load resistencia.est limitado por el valor actual de la cola;peor valor del caso deest definido por una corriente de reposo de la etapa de salida y el nico parmetro que puede ser controlado para drstico aumento en la ganancia es.est dominado por una resistencia de drenaje de M1 / M0 y fugas en el circuito de clase AB.Una de las maneras para mejorar la resistencia de drenaje de M1, M0 es el uso de amplificadores de refuerzo de ganancia [6], que se muestran como X1 y X0 enfig.1.Estos amplificadores se implementan utilizando etapas de corriente de entrada (M15 / M16 / I3 / I4 y M13 / M14 / I1 / I2 enla fig. 5).Ganancia OpAmp lazo abierto ha mejorado 60-80 dB a> 100 dB para todas las variaciones del proceso y de temperatura.Resistencia Fuente de la M1, M0, junto con la capacidad parsita total alnodos crea un pequeo retraso en una ruta de seal principal y los lmites max.ancho de banda OpAmp alcanzable.El uso de los circuitos a impulsar la ganancia permite elegir M1, geometra M0 con menor resistencia de la fuente, relajante esta limitacin de la velocidad.SECCIN VISASERATEBOOSTCIRCUITRpida, independiente del tamao de la etapa de sedimentacin OpAmp era uno de los principales objetivos de diseo.OpAmp velocidad de subida est limitada por una disposicin actual de la etapa de entrada para cargar condensadores de compensacin / descarga(Fig. 1) y la capacitancia parsita en elnodos.Esta corriente ha sido impulsado por la adicin del circuito no lineal (X7 enfig. 1) con la corriente de salida frente a la dependencia de voltaje de entrada como se muestra en lafig.6[8].

La Figura 6.Slew impulsar corriente frente a voltaje de entradaAnterior|Ver todos|SiguienteDinmicamente, circuito de impulso de giro puede tolerar pequeo retraso cuando se conect, pero cualquier retraso en la desconexin puede conducir al rebasamiento de la seal de salida y la posible estabilidad condicional de la OpAmp si este exceso es lo suficientemente grande como para activar el lado opuesto del circuito de impulso de giro.La inestabilidad condicional impide velocidad de subida impulsar ms de 5-8 veces (corriente de salida X7 debe ser no ms de 5-8 veces ms grande que la cola 15 actual de la etapa de entrada).Valor umbral X7 de conmutacin ON se establece en 30-40 mV.La mitad del circuito de impulso de giro se muestra en lafig.7(otra mitad es complementaria y opera cuando el voltaje de entrada de modo comn est cerca de Vdd).

Figura 7.circuito impulso Velocidad de giroAnterior|Ver todos|SiguienteCircuito enfig.7comprende dos pares diferenciales coincidentes M1 / M0 y M3 / M4 con 30-40 mV compensar preestablecido.Cuandoen+ voltaje excedaen poreste valor umbral, tensin en R1 excede tensin en R2 y el amplificador M5 / M6 se encender M9, tratando de mantener VR1= VR2.La corriente mxima a travs iguales M9y el funcionamiento corriente total degp, gnnodos a travs de M9, M10, M10A es igual que1(N + I), donde N - relacin de tamao M10 / M9.Cuandoen +voltaje cae por debajo dein-por valor umbral, par diferencial M3 / M4 y el amplificador M7 / M8 actan de la misma manera y surtidor de corriente a lagp, gnnodos a travs de M11, M12, M12A es igual a, Donde N es la proporcin de tamao M12 / M11.Control de retroalimentacin de la corriente impulso serie permite muy rpido desvo cuando la salida OpAmp se acerca a la tensin de valor objetivo y diferenciado de entrada cae por debajo del umbral.SECCIN VIIOVERLOADRECUPERACINmeMEJORAMIENTOCuando la salida OpAmp se acerca a uno de los carriles de alimentacin y uno de los transistores de salida M2, M3 (fig. 1) comienza a trabajar en la regin triodo, la corriente de la etapa de entrada todava pueden correr a la puerta nodosgn, gpy cargar uno de ellos a la gran potencial.Provoca retraso, llamado tiempo de recuperacin de sobrecarga, cuando la seal de entrada cambiar de signo y OpAmp necesidad de salir de la saturacin (fig. 8).

Figura 8.Sobrecarga de recuperacin de forma de ondaAnterior|Ver todos|SiguientePara eliminar este problema, bucles de retroalimentacin X4 / M19 y X3 / M18 (fig. 1) se han aadido para limitar las tensiones de puerta de M2, M3 cuando la tensin de salida se acerca a uno de los carriles.X3 bloque / M18 se muestra en lafig.9.

Figura 9.Sobrecarga reduccin de tiempo de recuperacinAnterior|Ver todosCuando el voltaje de salida cae por debajo del valor umbral (establecido por una relacin de desajuste M1 / M0 N), amplificador M1 / M0 M18 convierte en tensin y lmites puertagnde mayor aumento.SECCIN VIIIEEXPERIMENTALRESULTADOSDescrito OpAmp est fabricando en dos modificaciones: con la entrada de carril a carril con compensacin optimizada para la operacin seguidor (simple, doble, cudruple);y con entrada de alimentacin nica (slo OGP), una compensacin optimizada para la ganancia de 2, pero an estable de ganancia unitaria (simple, doble, triple).Adems de las caractersticas descritas, comprende esquema de polarizacin especial para mantener la dinmica estables frente a la temperatura y las variaciones del proceso, circuito de proteccin de la temperatura.Principales parmetros medidos SRAM estn enla Tabla 1.

Tabla 1.Medido parmetros OpAmpSECCIN IXCONCLUSINEn este trabajo se muestra la aplicacin de la metodologa estructural a la alta velocidad de diseo CMOS OpAmp.Cada caracterstica importante circuito, con exclusin de la etapa de entradaestabilizacin, se ha logrado por medio del bucle de realimentacin de control.OpAmp comprenden 12 bucles de control, pero debido a la utilizacin de los amplificadores de corriente de entrada con estructura de una sola etapa, los nicos condensadores de compensacin son la compensacin Miller en la ruta de seal principal.Enfoque de diseo estructural trae decisiones circuitos nuevas y superiores para cualquier problema en el diseo analgico: en OpAmps, gestin de energa [3], [4], MEMS, RF, etc.Ancho de banda de 250 MHz se ha logrado en el proceso CMOS 0.6um.Mover a la 0.35um permitir, al menos, duplicar esta velocidad, lo que significa que poco costosos OpAmps CMOS pueden competir en la zona actualmente bipolar del procesamiento de vdeo.NOTAS AL PIENo hay datos disponiblesREFERENCIAS1. VN Ivanov y VV IvanovPotencia integrada rumb amplificadoresp.170,1987, LeningradoMostrar Contexto2. VN Ivanov y VV IvanovDiseo del sistema analgico utilizando ASICs rumbp.182,1988, LeningradoMostrar Contexto3. V. Ivanov"tcnicas de circuito regulador de conmutacin"Curso de gestin de energa, vol.92,2001, LausanaMostrar Contexto4. V. Ivanov"La velocidad y la precisin OpAmp mejora"Diseo analgico de baja tensin, p.118,2002, MontereyMostrar Contexto5. K. de Langen y JH HuijsingOpAmps compacto de baja tensin y de alta velocidadp.249,1999, KluwerMostrar Contexto6. K. Bult y G. Geelen"La Tcnica CMOS Gain-Impulso"Analog Integrated Circuits y Procesamiento de Seales, pp. 119-135,1991Mostrar Contexto7.V. IvanovCircuitos CMOS TranslinearMostrar Contexto8. V. Ivanov, G. Johnson y S. ZhangV. IvanovCircuitos CMOS TranslinearMostrar Contexto9. V. Ivanov, G. Johnson y S. ZhangV. IvanovCircuitos CMOS TranslinearMostrar Contexto10. V. Ivanov y S. ZhangV. Ivanov2001Mostrar Contexto11. E. Seevinck"circuitos Translinear CMOS"Analog Circuit Design, pp. 323-336,1996, KluwerMostrar ContextoAUTORES

Vadim IvanovNo Bio Disponible

Shilong ZhangNo Bio DisponibleCITADO PORCitado por IEEE1.Un amplificador operacional 100 dB CMRR CMOS con capacidad de alimentacin nicaIvanov, V., Filanovsky, I., Junlin ZhouElectrnica, Circuitos y Sistemas, 2004. ICECS 2004. Actas de la 11 Conferencia Internacional IEEE sobre, pp. 2004 9- 12, 2004Breve Resumen|Texto completo: PDF2.Un amplificador separador ganancia de carril a carril unidad para los paneles TFT LCD de alta resolucin de bajo costoSoo-Yang Park, Won Sup Chung, Sang Hee HijoElectrnica de Consumo, IEEE Transactions on, vol.55, no.4, pp. 2190-2194, 2009Breve Resumen|Texto completo: PDF3.de alta ganancia y amplificador operacional de alto ancho de banda de carril a carril con circuito de impulso de velocidad de respuestaHong-Yi Huang, Jen-Chieh Liu, Bo-Ruei WangCircuitos y Sistemas de 2006. ISCAS 2006. Proceedings.2006 IEEE Simposio Internacional sobre, p.4 pp., 2006Breve Resumen|Texto completo: PDFPALABRAS CLAVEIEEE Palabras claveLos modelos analticos,ancho de banda,el ruido de circuito,la sntesis del sistema de control,circuitos de retroalimentacin,circuito de realimentacin,Impedancia,Instrumentos,Rail a insumos ferroviarios,Voltaje